(57)【要約】【課題】より高い検出精度でトルクを検出できるトルクセンサを提供することにある。【解決手段】第１の軸体と前記第２の軸体と、これらを連結する連結軸と、第１の軸体に固定された第１永久磁石と、第２の軸体に固定された第２永久磁石と、第１の軸体に固定され第２永久磁石の磁界内に配置された複数の磁性体で構成された第１センサヨーク対と、第２の軸体に固定され第１永久磁石の磁界内に配置された複数の磁性体で構成された第２センサヨーク対と、第１センサヨーク対及び第２センサヨーク対の近傍に配置され、第１永久磁石及び第２センサヨーク対とで第１磁気回路を形成し、第２永久磁石及び第１センサヨーク対とで第１磁気回路と並列な第２磁気回路を形成する集磁ヨーク対と、集磁ヨーク対を流れる磁束を検出する磁束検出器と、磁束検出器の検出出力に基づいてトルクを検出するトルク検出部と、を有することで上記課題を解決する。【選択図】図１
2010190764.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の軸体と、
第２の軸体と、
前記第１の軸体と前記第２の軸体とを連結する連結軸と、
前記第１の軸体に固定された第１永久磁石と、
前記第２の軸体に固定された第２永久磁石と、
前記第１の軸体に固定され、前記第２永久磁石の磁界内に配置された複数の磁性体で構成された第１センサヨーク対と、
前記第２の軸体に固定され、前記第１永久磁石の磁界内に配置された複数の磁性体で構成された第２センサヨーク対と、
前記第１センサヨーク対及び前記第２センサヨーク対の近傍に配置され、前記第１永久磁石及び第２センサヨーク対とで第１磁気回路を形成し、前記第２永久磁石及び第１センサヨーク対とで第１磁気回路と並列な第２磁気回路を形成する集磁ヨーク対と、
前記集磁ヨーク対を流れる磁束を検出する磁束検出器と、
前記磁束検出器の検出出力に基づいて、前記連結軸に作用するトルクを検出するトルク検出部と、を有することを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２】
前記第１永久磁石と前記第１センサヨーク対を保持する第１保持体と、
前記第２永久磁石と前記第２センサヨーク対を保持する第２保持体とを有し、
前記第１永久磁石と前記第１センサヨーク対とは、前記第１保持体により前記第１の軸体に固定され、前記第２永久磁石と前記第２センサヨーク対とは、前記第２保持体により前記第２の軸体に固定されることを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
【請求項３】
前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石は、それぞれ、外周面が多極に着磁され、
前記第１センサヨーク対及び前記第２センサヨーク対は、それぞれ前記外周面に対向して配置された複数の磁性体と、前記複数の磁性体を連結させるリング状の補助磁性体とで構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のトルクセンサ。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載され、操舵トルクを検出するトルクセンサと、
ステアリング機構に補助操舵力を付与する電動機と、
少なくとも前記操舵トルクに基づき前記電動機の駆動を制御する電動機駆動制御手段とを備えることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トルクセンサ及びこれを用いる電動パワーステアリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等に搭載されている電動パワーステアリング装置には、ステアリングから入力されるトルクを検出するトルクセンサが配置されている。電動パワーステアリング装置では、このトルクセンサで検出したトルクに基づいて、モータ等によりステアリングの回転をアシストすることで、操作者がより小さい力でステアリングを回転できるようにしている。トルクセンサとしては、例えば特許文献１に記載されているトルクセンサがある。
【０００３】
特許文献１には、第１の軸と第２の軸とを同軸上に連結し、第１の軸と第２の軸との間に捩じれトルクが入力されると、自身に捩じれを生じる弾性部材と、第１の軸または弾性部材の一端側に連結されて、周囲に磁界を形成する硬磁性体と、第２の軸または前記弾性部材の他端側に連結され、且つ前記硬磁性体により形成される磁界内に配置されて磁気回路を形成し、弾性部材の捩じれによって硬磁性体との相対位置が変化すると、磁気回路に発生する磁束密度が変化する構造を有する軟磁性体と、この軟磁性体と非接触に設置され、軟磁性体の磁気回路に発生する磁束密度を検出する磁気センサと、を備え、硬磁性体は、周方向にＮ極とＳ極とが交互に着磁されたリング状の磁石であり、軟磁性体は、磁石の外周に配置され、軸方向にギャップを介して対向する一組の磁気ヨークであり、それぞれの磁気ヨークには、磁石のＮ極及びＳ極と同数の爪が全周に等間隔に設けられ、且つ一方の磁気ヨークに設けられる爪と他方の磁気ヨークに設けられる爪とが周方向にずれて交互に配置され、磁石の軸方向の長さは、磁気ヨークの軸方向の長さより長くされ、磁気センサは、ギャップ内に挿入されて、一組の磁気ヨーク間に生じる磁束密度を検出することを特徴とするトルクセンサが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３８７４６４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載されているように、磁気ヨークの爪と磁石との相対位置がずれることで一組の磁気ヨーク間に生じる磁束密度を検出することで、第１の軸及び／または第２の軸に発生するトルクを検出することができる。しかしながら、特許文献１に記載されているトルクセンサは、１組の磁気ヨークと１つの磁石との間で発生する磁束密度の変化を検出しているため、トルクの入力に対して磁束密度の変化量が小さい。そのため、トルクの検出精度に限界があった。これに対して、シールドを設けることで、磁束密度を大きくすることができるが、装置構成が大きくなるという問題がある。また、装置構成が大きくなるのに対して、磁束密度の増加分が小さいという問題もある。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、検出精度が高いトルクセンサ及びこれを用いる電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、第１の軸体と、第２の軸体と、前記第１の軸体と前記第２の軸体とを連結する連結軸と、前記第１の軸体に固定された第１永久磁石と、前記第２の軸体に固定された第２永久磁石と、前記第１の軸体に固定され、前記第２永久磁石の磁界内に配置された複数の磁性体で構成された第１センサヨーク対と、前記第２の軸体に固定され、前記第１永久磁石の磁界内に配置された複数の磁性体で構成された第２センサヨーク対と、前記第１センサヨーク対及び前記第２センサヨーク対の近傍に配置され、前記第１永久磁石及び第２センサヨーク対とで第１磁気回路を形成し、前記第２永久磁石及び第１センサヨーク対とで第１磁気回路と並列な第２磁気回路を形成する集磁ヨーク対と、前記集磁ヨーク対を流れる磁束を検出する磁束検出器と、前記磁束検出器の検出出力に基づいて、前記連結軸に作用するトルクを検出するトルク検出部と、を有することを特徴とする。
【０００８】
ここで、前記第１永久磁石と前記第１センサヨーク対を保持する第１保持体と、前記第２永久磁石と前記第２センサヨーク対を保持する第２保持体とを有し、前記第１永久磁石と前記第１センサヨーク対とは、前記第１保持体により前記第１の軸体に固定され、前記第２永久磁石と前記第２センサヨーク対とは、前記第２保持体により前記第２の軸体に固定されることが好ましい。
【０００９】
また、前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石は、それぞれ、外周面が多極に着磁され、前記第１センサヨーク対及び前記第２センサヨーク対は、それぞれ前記外周面に対向して配置された複数の磁性体と、前記複数の磁性体を連結させるリング状の補助磁性体とで構成されていることが好ましい。
【００１０】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、電動パワーステアリング装置であって、上記いずれかに記載され、操舵トルクを検出するトルクセンサと、ステアリング機構に補助操舵力を付与する電動機と、少なくとも前記操舵トルクに基づき前記電動機の駆動を制御する電動機駆動制御手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明にかかるトルクセンサは、磁束検出器でより多くの磁束を検出することができ、より高い検出精度でトルクを検出することできるという効果を奏する。また、本発明の電動パワーステアリング装置は、トルクセンサでトルクの検出精度を高くできることで、電動機をより適切に駆動することができ、操作性を高くすることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の電動パワーステアリング装置を有する車両の概略構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、トルクセンサの主要構成部品を説明するための分解斜視図である。
【図３】図３は、トルクセンサの主要構成部品を説明するための他の分解斜視図である。
【図４】図４は、トルクセンサの主要構成部品を説明するため分解断面図である。
【図５】図５は、トルクセンサの主要構成部品を説明するため断面図である。
【図６】図６は、集磁ヨークと磁束検出器との概略構成を示す部分斜視図である。
【図７】図７は、永久磁石とセンサヨーク対との位置関係を説明するための側面図である。
【図８】図８は、図７に示す位置関係の磁気回路での磁束の流れを説明するための説明図である。
【図９】図９は、永久磁石とセンサヨーク対との位置関係を説明するための側面図である。
【図１０】図１０は、図９に示す位置関係の磁気回路での磁束の流れを説明するための説明図である。
【図１１】図１１は、他の例の集磁ヨークの概略構成を示す斜視図である。
【図１２】図１２は、ニッケル含有量と磁性体の価格及びヒステレシスとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明にかかるトルクセンサおよびこれを用いる電動パワーステアリング装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１４】
＜実施形態＞
まず、本発明の一実施形態に係るトルクセンサ及び電動パワーステアリング装置について説明する。ここで、図１は、本発明の電動パワーステアリングを有する車両の一実施形態の概略構成を示すブロック図である。なお、図１に示す電動パワーステアリング装置は、本発明のトルクセンサを有する。車両１は、電動パワーステアリング装置２と、操舵機構３と、コントロールユニット４と、イグニッションスイッチ５と、バッテリ６と、車速センサ７とを有する。なお、車両１は、図１に示す構成要素以外にも、エンジン、車輪等、車両として通常通する各種構成要素を有する。
【００１５】
電動パワーステアリング装置２は、操作者に操作されるステアリングホイール１１と、ステアリングホイール１１から入力される回転を伝達するステアリングシャフト１２と、ステアリングシャフト１２に入力されるトルクとステアリングシャフトの回転角を検出するトルクセンサ１３と、トルクセンサ１３により検出されたトルクに基づいて、ステアリングシャフト１２の回転を補助する補助操舵機構１４と有する。電動パワーステアリング装置２は、ステアリングホイール１１が操作されることでステアリングシャフト１２に発生する操舵トルクをトルクセンサ１３で検出する。さらに、電動パワーステアリング装置２は、その検出信号に基づいて、コントロールユニット４により電動モータ１６を駆動制御して補助操舵トルクを発生させてステアリングホイール１１の操舵力を補助する。
【００１６】
ステアリングホイール１１に連結されたステアリングシャフト１２は、運転者の操舵力が作用する入力軸１２ａと出力軸１２ｂとを有し、入力軸１２ａと出力軸１２ｂとの間にトルクセンサ１３及び減速ギヤボックス１５が介装されている。ステアリングシャフト１２の出力軸１２ｂに伝達された操舵力は、操舵機構３に伝達される。
【００１７】
トルクセンサ１３は、ステアリングホイール１１を介して入力軸１２ａに伝達された操舵力を操舵トルクとして検出するものである。トルクセンサ１３については、後ほど詳述する。
【００１８】
補助操舵機構１４は、ステアリングシャフト１２の出力軸１２ｂに連結され、出力軸１２ｂに補助操舵トルクを伝達する。補助操舵機構１４は、出力軸１２ｂに連結された減速ギヤボックス１５と、減速ギヤボックス１５に連結されかつ補助操舵トルクを発生させる電動モータ１６と、を有している。なお、ステアリングシャフト１２、トルクセンサ１３及び減速ギヤボックス１５によりコラムが構成されており、電動モータ１６は、コラムの出力軸１２ｂに補助操舵トルクを与える。すなわち、本実施形態における電動パワーステアリング装置は、コラムアシスト式となっている。
【００１９】
操舵機構３は、ユニバーサルジョイント２０と、ロアシャフト２１と、ユニバーサルジョイント２２と、ピニオンシャフト２３と、ステアリングギヤ２４と、タイロッド２５とを有する。電動パワーステアリング装置２から操舵機構３に伝達された操舵力は、ユニバーサルジョイント２０を介してロアシャフト２１に伝達され、さらにユニバーサルジョイント２２を介してピニオンシャフト２３に伝達され、ピニオンシャフト２３に伝達された操舵力は、ステアリングギヤ２４を介してタイロッド２５に伝達され、図示していない転舵輪を転舵させる。ステアリングギヤ２４は、ピニオンシャフト２３に連結されたピニオン２４ａと、ピニオン２４ａに噛合するラック２４ｂと、を有するラックアンドピニオン形式として構成され、ピニオン２４ａに伝達された回転運動をラック２４ｂで直進運動に変換している。
【００２０】
コントロールユニット（ＥＣＵ、Electronic Control Unit）４は、電動モータ１６、エンジン等、車両１の種々の部分の駆動を制御する。コントロールユニット４には、イグニッションスイッチ５がオンの状態のときに、バッテリ６から電力が供給される。コントロールユニット４は、トルクセンサ１３で検出された操舵トルクＴ及び車速センサ７で検出された走行速度Ｖに基づいてアシスト指令の補助操舵指令値を算出し、その算出された補助操舵指令値に基づいて電動モータ１６への供給電流値を制御する。
【００２１】
次に、トルクセンサ１３について詳細に説明する。ここで、図２は、トルクセンサの主要構成部品を説明するための分解斜視図である。また、図３は、トルクセンサの主要構成部品を説明するための他の分解斜視図である。また、図４は、トルクセンサの主要構成部品を説明するため分解断面図であり、図５は、トルクセンサの主要構成部品を説明するため断面図である。また、図６は、集磁ヨークと磁束検出器との概略構成を示す部分斜視図である。なお、図２は、一部の部材を組み立てた状態を示している。また、図２及び図３では、第１保持部と第２保持部の図示を省略している。また、図４では、連結軸の図示を省略し、図５では、入力軸、出力軸及び連結軸の図示を省略した。以下、図２から図６を用いてトルクセンサの各部について説明する。
【００２２】
まず、ステアリングシャフト１２は、図２及び図４に示すように、上述した入力軸１２ａ及び出力軸１２ｂ以外に、連結軸１２ｃを有する。入力軸１２ａの軸方向他端側にはステアリングホイール１１（図１）が取り付けられる。また、出力軸１２ｂは、軸受３０によって減速ギヤボックス１５に回転自在に支持されており、その軸方向他端側には、ユニバーサルジョイント２０等を介して図示されていない転舵輪が取り付けられる。連結軸（トーションバー）１２ｃは、入力軸１２ａ（第２の軸体）の軸方向一端側と出力軸（第１の軸体）１２ｂの軸方向一端側とを連結する連結軸である。
【００２３】
トルクセンサ１３は、図２及び図４に示すように、第１永久磁石３２と、第２永久磁石３４と、第１センサヨーク対３６と、第２センサヨーク対３８と、集磁ヨーク対４０と、磁束検出器４２と、第１永久磁石３２及び第１センサヨーク対３６を保持する第１保持部４４と、第２永久磁石３４及び第２センサヨーク対３８を保持する第２保持部４６と、を備え、入力軸１２ａにトルクが作用したときに、磁束検出器４２の検出出力に基づいてトルクを検出する。なお、トルクセンサの構成要素には、上述したステアリングシャフト１２の入力軸１２ａと出力軸１２ｂと連結軸１２ｃも含まれる。また、第１保持部４４は、出力軸１２ｂに固定されており、第２保持部４６は、入力軸１２ａに固定されている。したがって第１保持部４４は、出力軸１２ｂとともに回転し、第２保持部４６は、入力軸１２ａとともに回転する。
【００２４】
第１永久磁石３２は、図３及び図４に示すように、リング形状、つまり、軸方向の長さが短い円筒形状であり、外周面がその周方向に相異なる磁極（Ｎ極とＳ極）が交互に着磁されている。また、本実施形態では、第１永久磁石３２の外周面は、それぞれ１６極に着磁されている。
【００２５】
また、第１永久磁石３２は、内周面に金属製のバックヨーク３２ａが設けられている。バックヨーク３２ａは、第１永久磁石３２を後述する第１保持部４４に固定している。なお、第１永久磁石３２をバックヨーク３２ａに固定する方法、及びバックヨーク３２ａを第１保持部４４に固定する方法は、特に限定されない。例えば、接着剤により接着させても、機械的に固定しても、第１保持部４４を樹脂とし、第１永久磁石３２とバックヨーク３２ａをインサートモールドしてもよい。第１永久磁石３２の内周面にバックヨーク３２ａを設けることで、第１永久磁石３２から発生される磁束が内周面側に漏れることを抑制でき、第１永久磁石３２から発生される磁束を有効に利用することができる。
【００２６】
第２永久磁石３４も、図３及び図４に示すように、リング形状、つまり、軸方向の長さが短い円筒形状であり、外周面がその周方向に相異なる磁極（Ｎ極とＳ極）が交互に着磁されている。また、本実施形態では、第２永久磁石３４の外周面は、それぞれ１６極に着磁されている。また、第２永久磁石３４は、その内径が第１永久磁石３２の外径よりも大きい形状である。
【００２７】
また、第２永久磁石３４も、内周面に金属製のバックヨーク３４ａが設けられている。バックヨーク３４ａは、第２永久磁石３４を後述する第２保持部４６に固定している。なお、第２永久磁石３４をバックヨーク３４ａに固定する方法、及びバックヨーク３４ａを第２保持部４６に固定する方法も特に限定されない。第２永久磁石３４の内周面にバックヨーク３４ａを設けることで、第２永久磁石３４から発生される磁束が内周面側に漏れることを抑制でき、第２永久磁石３４から発生される磁束を有効に利用することができる。
【００２８】
ここで、第１永久磁石３２及び第２永久磁石３４を構成する磁石材料としては、フェライト磁石や希土類磁石（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石やＳｍ−Ｃｏ系磁石等）、金属磁石、焼結磁石等を採用することができる。また、バックヨーク３２ａ、３４ａと一体成形されるボンド磁石（ゴム磁石やプラスチック磁石）を永久磁石として採用してもよい。なお、本実施形態においては、磁束を有効に利用するために第１永久磁石３２をバックヨーク３２ａに取り付け、第２永久磁石３４をバックヨーク３４ａに取り付けた例を示したが、バックヨーク３２ａ、３４ａは必ずしも設けなくてもよく、第１永久磁石３２を第１保持部４４に、第２永久磁石３４を第２保持部４６に直接取り付けてもよい。
【００２９】
第１センサヨーク対３６は、図３及び図４に示すように、短い円筒状の２つのセンサヨーク構成部（第１センサヨーク構成部３６ａ及び第１センサヨーク構成部３６ｂ）を軸方向に並べて構成した環状の磁性体を有する。第１センサヨーク対３６は、図５に示すように、環形状の内径が第２永久磁石３４の外周面と対向するように、第１保持部４４により保持されている。つまり、第１センサヨーク対３６は、第２永久磁石３４の外周面を覆うような位置に配置されている。
【００３０】
第１センサヨーク構成部３６ａは、図３及び図４に示すように、複数の爪部（クローポール）３６ｃと、複数の爪部３６ｃの端部と連結したリング形状の外周部３６ｄとを有する。爪部３６ｃは、第２永久磁石３４の外周面と対向した面と、第２永久磁石３４の中心軸に直交する面の２つの面で構成された断面がＬ字となる板状部材である。爪部３６ｃの第２永久磁石３４の軸に直交する面は、回転中心側（内周面側）の端部が、第２永久磁石３４の外周面と対向した面と接続され、反対側（回転中心から遠い側）の端部が外周部３６ｄと接続されている。また、複数の爪部３６ｃは、第２永久磁石３４の円周方向において、一定間隔離れて、等間隔に配置されている。外周部３６ｄは、リング形状であり、複数の爪部３６ｃの端部と接続されている。
【００３１】
第１センサヨーク構成部３６ｂは、第１センサヨーク構成部３６ａと同様の形状であり、複数の平板台形状の爪部（クローポール）３６ｅと、複数の爪部３６ｅの端部と連結したリング形状の外周部３６ｆとを有する爪部３６ｅは、爪部３６ｃと同様の形状であり、外周部３６ｆは、外周部３６ｄと同様の形状である。ここで、第１センサヨーク構成部３６ａと、第１センサヨーク構成部３６ｂは、それぞれの爪部３６ｃ、３６ｅが円周方向において交互に配置され、外周部３６ｄと外周部３６ｆとが離れて配置されている。つまり、軸方向において、外周部３６ｆは、爪部３６ｃの外周部３６ｄと接続されていない側の端部（本実施形態では、ステアリングホイール１１側の端部）に配置され、外周部３６ｄは、爪部３６ｅの外周部３６ｆと接続されていない側の端部（本実施形態では、ユニバーサルジョイント２０側の端部）に配置されている。
【００３２】
第２センサヨーク対３８は、第１センサヨーク対３６と同様の形状であり、図３及び図４に示すように、短い円筒状の第２センサヨーク構成部３８ａ及び第２センサヨーク構成部３８ｂを軸方向に並べて構成した環状の磁性体を有する。第２センサヨーク対３８は、図５に示すように、環形状の内径が第１永久磁石３２の外周面と対向するように、第２保持部４６により保持されている。つまり、第２センサヨーク対３８は、第１永久磁石３２の外周面を覆うような位置に配置されている。
【００３３】
第２センサヨーク構成部３８ａは、図３及び図４に示すように、複数の爪部（クローポール）３８ｃと、複数の爪部３８ｃの端部と連結したリング形状の外周部３８ｄとを有する。爪部３８ｃは、第１永久磁石３２の外周面と対向した面と、第１永久磁石３２の中心軸に直交する面の２つの面で構成された断面がＬ字となる板状部材である。爪部３８ｃの第１永久磁石３２の軸に直交する面は、回転中心側（内周面側）の端部が、第１永久磁石３２の外周面と対向した面と接続され、反対側（回転中心から遠い側）の端部が外周部３８ｄと接続されている。また、複数の爪部３８ｃは、第１永久磁石３２の円周方向において、一定間隔離れて、等間隔に配置されている。外周部３８ｄは、リング形状であり、複数の爪部３８ｃの端部と接続されている。
【００３４】
また、第２センサヨーク構成部３８ｂは、第２センサヨーク構成部３８ａと同様の形状であり、複数の平板台形状の爪部（クローポール）３８ｅと、複数の爪部３８ｅの端部と連結したリング形状の外周部３８ｆとを有する。爪部３８ｅは、爪部３８ｃと同様の形状であり、外周部３８ｆは、外周部３８ｄと同様の形状である。ここで、第２センサヨーク構成部３８ａと、第２センサヨーク構成部３８ｂは、それぞれの爪部３８ｃ、３８ｅが円周方向において交互に配置され、外周部３８ｄと外周部３８ｆとが離れて配置されている。つまり、軸方向において、外周部３８ｆは、爪部３８ｃの外周部３８ｄと接続されていない側の端部（本実施形態では、ユニバーサルジョイント２０側の端部）に配置され、外周部３８ｄは、爪部３８ｅの外周部３８ｆと接続されていない側の端部に配置されている。
【００３５】
集磁ヨーク対４０は、図４、図５及び図６に示すように、磁性体で形成される外側集磁ヨーク４０ａと磁性体で形成される内側集磁ヨーク４０ｂとを有し、第１センサヨーク対３６及び第２センサヨーク対３８の外周を覆うように配置されている。また、集磁ヨーク対４０は、非磁性体で構成された支持部により減速ギヤボックス１５に固定されている。つまり、集磁ヨーク対４０は、入力軸１２ａと出力軸１２ｂが回転しても回転しない部分に固定されている。
【００３６】
外側集磁ヨーク４０ａは、両端（先端と後端）が軸中心側に折れ曲がった略円筒形状であり、第１センサヨーク対３６及び第２センサヨーク対３８の外周を覆うように配置されている。なお、外側集磁ヨーク４０ａは、入力軸１２ａ、出力軸１２ｂの回転中心と円筒形状の中心とが略重なるように配置されている。外側集磁ヨーク４０ａのユニバーサルジョイント２０側の端部は、第１センサヨーク対３６の外周部３６ｄの近傍に、外周部３６ｄとは非接触状態で配置され、ステアリングホイール１１側の端部は、第２センサヨーク対３８の外周部３８ｄの近傍に、外周部３８ｄとは非接触状態で配置されている。
【００３７】
内側集磁ヨーク４０ｂは、短い円筒状であり、軸に直交する面において、外側集磁ヨーク４０ａよりも内側（中心軸側）で、かつ、第１センサヨーク対３６及び第２センサヨーク対３８よりも外側に配置されている。また、内側集磁ヨーク４０ｂは、第１センサヨーク対３６の外周部３６ｆの近傍及び第２センサヨーク対３８の外周部３８ｆの近傍に、外周部３６ｆ及び外周部３８ｆとは非接触状態で配置されている。
【００３８】
また、外側集磁ヨーク４０ａと内側集磁ヨーク４０ｂとは、後述する磁束検出器４２が配置される部分が、磁束検出器４２に近づく方向に凸となる形状となっている。これにより、外側集磁ヨーク４０ａと内側集磁ヨーク４０ｂとは、磁束検出器４２部分が他の部分よりも間隔が狭くなっている。これにより、集磁ヨーク対４０に伝達される磁束を磁束検出器４２が配置されている部分に集中的に集めることができる。
【００３９】
集磁ヨーク対４０は、以上のような構成であり、第１永久磁石３２と第２センサヨーク対３８と外側集磁ヨーク４０ａと内側集磁ヨーク４０ｂとで、磁束検出器４２が配置されて居る部分に磁束が通る１つの磁気回路を作り、第２永久磁石３４と第１センサヨーク対３６と外側集磁ヨーク４０ａと内側集磁ヨーク４０ｂとで、磁束検出器４２が配置されている部分に磁束が通るもう１つの磁気回路を作っている。
【００４０】
磁束検出器４２は、図５及び図６に示すように、外側集磁ヨーク４０ａと内側集磁ヨーク４０ｂとの間に配置されている。磁束検出器４２は、上述した２つの磁気回路を流れ、磁束検出器４２が配置されている部分の外側集磁ヨーク４０ａと内側集磁ヨーク４０ｂとの隙間を通る磁束の密度を検出する。磁束検出器４２は、ホール素子、ＭＲ素子、ＭＩ素子等、磁束の密度を測定できるものであれば良い。磁束検出器４２は、検出した磁束の密度をコントロールユニット４に送る。
【００４１】
第１保持部４４は、図４及び図５に示すように、第１永久磁石３２と第１センサヨーク対３６とを所定の位置に保持する保持部材であり、出力軸１２ｂに固定されている。第１保持部４４は、第１永久磁石３２を第１センサヨーク対３６よりもステアリングホイール１１側に保持している。また、第１保持部４４の第１センサヨーク対３６を保持している部分の内周側には、第２永久磁石３４を配置可能な間隙が形成されている。
【００４２】
第２保持部４６は、図４及び図５に示すように、第２永久磁石３４と第２センサヨーク対３８とを所定の位置に保持する保持部材であり、入力軸１２ａに固定されている。第２保持部４６は、第２センサヨーク対３８を第２永久磁石３２よりもステアリングホイール１１側に保持している。また、第２保持部４６の第２永久磁石３４を保持している部分の外周側は、部材が設けられていない。また、第２保持部４６は、内周の径が、第１永久磁石３２の外周の径よりも大きい。ここで、第１保持部４４及び第２保持部４６は、合成樹脂等で形成することができる。なお、各部を保持部や、軸に、保持させる、つまり固定する方法は特に限定されず、インサートモールドや、ホットメルト、ポッティングを用いた方法で保持させることができる。
【００４３】
第１保持部４４と第２保持部４６とは、以上のような構成であり、第１保持部４４と第２保持部４６とを組み合わせると、図５に示すように、第１永久磁石３２と第２センサヨーク対３８とが対向し、第２永久磁石３４と第１センサヨーク対３６とが対向した状態となる。トルクセンサ１３は、以上のような構成である。
【００４４】
次に、図７から図１０を用いて、本実施形態に係るトルクセンサ１３のトルク検出原理を説明する。図７は、永久磁石とセンサヨーク対との位置関係を説明するための側面図であり、図８は、図７に示す位置関係の磁気回路での磁束の流れを説明するための説明図である。また、図９は、永久磁石とセンサヨーク対との位置関係を説明するための側面図であり、図１０は、図９に示す位置関係の磁気回路での磁束の流れを説明するための説明図である。なお、図７及び図９には、第１永久磁石３２と第２センサヨーク対３８との組み合わせと、第２永久磁石３４と第１センサヨーク対３６との組み合わせのうち、第２永久磁石３４と第１センサヨーク対３６との組み合わせのみを示す。
【００４５】
まず、トルクの入力が無い状態では、第２永久磁石３４と第１センサヨーク対３６とは、図７に示す位置関係となる。具体的には、第１センサヨーク構成部３６ａの各爪部３６ｃは、第２永久磁石３４の外周面の磁極（Ｎ極とＳ極）の境界に対向する位置に配置され、第１センサヨーク構成部３６ｂの各爪部３６ｅも、第２永久磁石３４の外周面の磁極（Ｎ極とＳ極）の境界に対向する位置に配置される。このように各爪部３６ｃ、３６ｅが磁極の境界にあるときは、各爪部３６ｃ、３６ｅから見た第２永久磁石３４のＮ極、Ｓ極に対するパーミアンス（磁気抵抗の逆数）が等しいので、図８のような磁束の流れとなる。具体的には、第２永久磁石３４のＮ極から発生した磁束は、それぞれ第１センサヨーク対３６の爪部３６ｃ、３６ｅに入り、そのまま永久磁石３２のＳ極へ入る。よって、第２永久磁石３４、第１センサヨーク対３６、集磁ヨーク対４０とで形成される磁気回路には磁束が流れず、磁束検出器４２には磁束が流れない。
【００４６】
また、トルクの入力が無い状態での第１永久磁石３２と第２センサヨーク対３８との位置関係も、第２永久磁石３４と第１センサヨーク対３６と同様の位置関係となる。つまり、図８に示すように第２センサヨーク構成部３８ａの各爪部３６ｃと第２センサヨーク構成部３８ｂの各爪部３８ｅのそれぞれが第１永久磁石３２の外周面の磁極の境界に対向する位置に配置されている。これにより、各爪部３８ｃ、３８ｅから見た第１永久磁石３２のＮ極、Ｓ極に対するパーミアンスが等しくなる。よって、第１永久磁石３２、第２センサヨーク対３８、集磁ヨーク対４０とで形成される磁気回路には磁束が流れず、磁束検出器４２には磁束が流れない。このようにトルクの入力が無い状態では、各爪部３６ｃ、３６ｅ、３８ｃ、３８ｅと永久磁石との間で磁束が流れるため、磁束検出器４２には、磁束が流れない。
【００４７】
このようにトルクが入力されていない状態から、運転者がステアリングホイール１１を回転させることによって入力軸１２ａにトルクが入力されると、連結軸１２ｃの入力側は、ステアリングホイール１１と同様に回転するとともに連結軸１２ｃ自体に入力トルクに応じた捩れが発生する。この捩れによって、連結軸１２ｃの入力側と出力側に相対角度変位が発生する。つまり、入力軸１２ａと出力軸１２ｂとの相対角度が変化する。入力軸１２ａと出力軸１２ｂとの相対角度が変化すると、入力軸１２ａに固定されている第２保持部４６と出力軸１２ｂに保持されている第１保持部４４との相対角度も変化する。これにより、トルクセンサ１３の第２永久磁石３２と第１センサヨーク対３６との間、及び第１永久磁石３２と第２センサヨーク対３８との間の相対角度も変位する。例えば、出力軸１２ｂ（第１保持部４４）が入力軸１２ａ（第２保持部４６）に対して図７中反時計回り側に相対的に角度変化（移動）すると、図９に示すように、第１センサヨーク構成部３６ａの爪部３６ｃが第２永久磁石３４の外周面のＮ極に対面し、第１センサヨーク構成部３６ｂの爪部３６ｅが第２永久磁石３４の外周面のＳ極に対面するように相対位置が変化する。
【００４８】
第２永久磁石３４と第１センサヨーク対３６との間に相対角度の変位が発生すると、図８のようなパーミアンスのバランスが崩れ、図１０に示すように磁束検出器４２を含む磁気回路Ａに磁束が流れる。すなわち、第２永久磁石３４のＮ極から発生した磁束が、対向する爪部３６ｃから第１センサヨーク構成部３６ａに流れ、第１センサヨーク構成部３６ａから外側集磁ヨーク４０ａを経由して磁束検出器４２を通過し、内側集磁ヨーク４０ｂから第１センサヨーク構成部３６ｂの爪部３６ｅを経由して第２永久磁石３４のＳ極へと戻る磁気回路Ａに磁束が流れる。
【００４９】
また、出力軸１２ｂが入力軸１２ａに対して図７中反時計回り側に相対的に角度変化すると、第１永久磁石３２と第２センサヨーク対３８との相対位置も変化する。具体的には、第２センサヨーク構成部３８ａの爪部３８ｃが第１永久磁石３２の外周面のＮ極に対面し、第２センサヨーク構成部３８ｂの爪部３８ｅが第１永久磁石３２の外周面のＳ極に対面するように相対位置が変化する。このように、第１永久磁石３２と第２センサヨーク対３８との相対位置が変化すると、図１０に示すように磁束検出器４２を含む磁気回路Ｂにも磁束が流れる。すなわち、第１永久磁石３２のＮ極から発生した磁束が、対向する爪部３８ｃから第２センサヨーク構成部３８ａに流れ、第２センサヨーク構成部３８ａから外側集磁ヨーク４０ａを経由して磁束検出器４２を通過し、内側集磁ヨーク４０ｂから第２センサヨーク構成部３８ｂの爪部３８ｅを経由して第１永久磁石３２のＳ極へと戻る磁気回路Ｂに磁束が流れる。この磁束検出器４２を含む磁気回路Ａ及び磁気回路Ｂに発生した磁束を磁束検出器４２で検出することにより、相対角度変位が測定でき、連結軸１２ｃにかかるトルクを検出することができる。
【００５０】
なお、出力軸１２ｂと入力軸１２ａとの相対角度変化が図９に示す方向と逆となったら磁束検出器４２には、逆方向に磁束が流れる。また、磁束検出器４２に流れる磁束の量は、相対角度により変化する。具体的には、爪部３６ｃ、３６ｅ、３８ｃ、３８ｅに対向している永久磁石の外周面部分におけるＳ極とＮ極のバランスにより変化する。これにより、磁束検出器４２を流れる磁束の大きさ、向きにより、入力軸１２ａと出力軸１２ｂとの相対角度変化を検出することができ、相対角度変化から連結軸１２ｃにかかるトルクを検出することができる。
【００５１】
以上の実施形態に係るトルクセンサ１３は、ステアリングシャフト１２に加えられるトルクを検出することができる。また、永久磁石とセンサヨーク対と集磁ヨークとで構成される磁気回路を２つ設け、かつ集磁ヨークを共通とし、２つの磁気回路を流れる磁束が１つの磁束検出器に流れることで、磁束検出器に流れる磁束をより多くすることができる。このようにより多くの磁束が磁束検出器を流れるようにできることで、相対角度変化に対して磁束検出器に流れる磁束の割合を多くすることができ、相対角度変化の検出精度をより高くすることができ、高い精度でトルクを検出することができる。また、磁束検出器を通る磁束を多くできることで、性能の高い磁束検出器を用いることなく精度を高めることができる。これにより、装置を安価にすることができる。
【００５２】
また、集磁ヨークを共通化することで、製造コストも低減することができる。さらに、本実施形態のように、集磁ヨークで永久磁石とセンサヨークの外周を覆う構成とすることで、集磁ヨークに磁気シールドとしての機能を持たせることができる。また、磁気シールドを設ける必要が無くなるため、部品点数を少なくすることができ、装置構成を簡単にすることができる。
【００５３】
また、以上の実施形態に係る電動パワーステアリング装置においては、トルクの検出精度の高いトルクセンサ１３を備えているため、装置全体としてトルクに応じたステアリングホイールの操作の補助をより適切に行うことができ、操作性を高くすることができる。
【００５４】
また、本実施形態においては、環状（平面形状が円形状）の集磁ヨーク対４０を採用した例を示したが、平面形状が扇形状（ないし半円形状）の集磁ヨークを採用することもできる。このように平面形状が扇形状や半円形状の集磁ヨークを採用すると、集磁ヨークをセンサヨーク対の横方向（径方向）から組み付けることができ、集磁ヨークを入力軸１２ａに貫通させる必要がなくなるので、組付け作業を格段に容易にすることができる。
【００５５】
また、上記実施形態では、集磁ヨーク対４０を第１センサヨーク対３６及び第２センサヨーク対３８の外周を覆う形状としたが、本発明はこれに限定されない。ここで、図１１は、他の例の集磁ヨークの概略構成を示す斜視図である。図１１に示す集磁ヨーク対１００は、第１外側集磁ヨーク１０２と、第２外側集磁ヨーク１０４と、内側集磁ヨーク１０６と、連結部１０８とを有する。なお、集磁ヨーク対１００は、上述した集磁ヨーク対４０と同様に、非磁性体で構成された支持部により減速ギヤボックスに固定されている。なお、第１外側集磁ヨーク１０２と、第２外側集磁ヨーク１０４と、内側集磁ヨーク１０６と、連結部１０８とは、いずれも磁性体で形成されている。
【００５６】
第１外側集磁ヨーク１０２は、円形の穴が開口された円板形状（厚みが一定のリング形状）であり、内周面が第１センサヨーク対３６の第１センサヨーク構成部３６ａの外周部３６ｄと対向して配置されている。第２外側集磁ヨーク１０４も、円形の穴が開口された円板形状（厚みが一定のリング形状）であり、内周面が第２センサヨーク対３８の第２センサヨーク構成部３８ａの外周部３８ｄと対向して配置されている。
【００５７】
内側集磁ヨーク１０６は、短い円筒状であり、第１外側集磁ヨーク１０２と第２外側集磁ヨーク１０４との間に配置されている。また、内側集磁ヨーク１０６は、円筒の内径が、第１外側集磁ヨーク１０２及び第２外側集磁ヨーク１０４の内径と略同一であり、第１センサヨーク対３６の第１センサヨーク構成部３６ｂの外周部３６ｆの近傍及び第２センサヨーク対３８の第２センサヨーク構成部３８ｂの外周部３８ｆの近傍に、２つの外周部とは非接触状態で配置されている。つまり、内側集磁ヨーク１０６は、２つのセンサヨーク対の互いに近接して配置されている側の外周部に対向して配置されている。
【００５８】
連結部１０８は、第１外側集磁ヨーク１０２と第２外側集磁ヨーク１０４をと連結している部材である。また、連結部１０８は、一部が内側集磁ヨーク１０６の近傍に配置されている。具体的には、連結部１０８は、両端がそれぞれ第１外側集磁ヨーク１０２と第２外側集磁ヨーク１０４とに連結している棒状の主体部と、一方の端部が主体部と連結されており、他方の内側集磁ヨーク１０６の近傍まで延在している棒状の付属部とで構成されている。また、連結部１０８のうち内側集磁ヨーク１０６と近接している部分と、内側集磁ヨーク１０６との間の隙間には、磁束検出器４２が配置されている。
【００５９】
集磁ヨーク１００対を、図１１に示すような構造とすることでも、第２永久磁石３４と、第１センサヨーク対３６と第１外側集磁ヨーク１０２、連結部１０８、内側集磁ヨーク１０６とで１つの磁気回路を構成でき、第１永久磁石３２と、第２センサヨーク対３８と第２外側集磁ヨーク１０４、連結部１０８、内側集磁ヨーク１０６とで、もう１つの磁気回路を構成することができる。これにより、入力軸と出力軸とで相対角度変化が発生したらこの２つの磁気回路に磁束が流れ、磁束検出器４２で流れる磁束を検出することができる。
【００６０】
また、集磁ヨーク対として、集磁ヨーク対１００を用いることで、第１センサヨーク対と第２センサヨーク対とを覆う部分に磁性体を配置しない構成とすることができる。これにより、使用する磁性体の量を低減することができるため、製造コストを低くすることができる。
【００６１】
ここで、第１センサヨーク対３６、第２センサヨーク対３８及び集磁ヨーク対４０の材料として、ニッケルを含有した合金を採用すると、磁気特性（出力のヒステリシス）を改善することができ、トルクセンサ１３として良好な性能を得ることが可能となる。また、ヒステリシスが問題とならない場合には、その他の磁性体金属（例えば、一般にモータ等の材料として採用される珪素鋼板やＳＰＣＣ等の圧延鋼板）を用いて第１センサヨーク対３６、第２センサヨーク対３８及び集磁ヨーク対４０を構成することができる。また、第１センサヨーク対３６、第２センサヨーク対３８及び集磁ヨーク対４０の何れか一方を、ニッケルを含有した合金を用いて構成してもよい。
【００６２】
また、第１センサヨーク対３６、第２センサヨーク対３８及び集磁ヨーク対４０は、Ｆｒ−Ｎｉ系の軟磁性材料を用いて製造することが好ましい。また、磁性体が含有するＮｉ（ニッケル）の量は、５０ｗ％以上ｗ７０％以下、または、７０ｗ％以上８５ｗ％以下とすることが好ましい。ここで、図１２は、磁性体のニッケル含有量と、磁性体の価格及びヒステレシスとの関係を示すグラフである。図１２に示すように、磁性体は、ニッケルの含有量を多くするにつれて、ヒステリシスを小さくすることができる。また、含有量とヒステリシスとの関係は、漸近傾向があり、一定の含有量を超えると含有量の変化に対して、ヒステリシスの変化は小さくなる。また、磁性体の価格は、ニッケルの含有量が多くなるに連れて比例的に高騰していく。
【００６３】
ここで、磁性体のＮｉの含有量を５０ｗ％以上ｗ７０％以下とすることで、磁性体をある程度の安価でかつ、ヒステリシスを一定以下にすることができる。また、磁性体のＮｉの含有量を７０ｗ％以上８５ｗ％以下とすることで、磁性体の価格は高くなるが、ヒステリシスをより低くすることができる。
【００６４】
また、上記実施形態では、１つのトルクセンサに１つの磁束検出器を設けたが、磁束検出器の数は１つに限定されない。また、磁束検出器は、２つ以上（複数）設けることが好ましい。磁束検出器を２つ以上設けることで、磁束検出器が１つ故障した場合もトルクを検出することができる。
【００６５】
また、磁束検出器を２つ設けた場合は、２つの検出値を比較することで、信頼性を向上することができる。また、このように２つの磁束検出器を設けた場合は、２つの検出値の極性を反転させることで、差動信号としての耐ノイズ性の高いセンサとすることができる。これにより相対角度変化の検出精度をより高くすることができ、トルクの検出精度を高くすることができる。また、磁束検出器を３つ以上設けた場合は、磁束検出器に故障が生じた場合も、検出値の比較により、多数決で故障している磁束検出器の特定が可能となる。これにより、故障した磁束検出器の検出結果を除外してトルクを算出することができ、トルクの検出精度を高くすることができる。
【００６６】
なお、上記実施形態では、永久磁石を１６極に着磁した場合で説明をしたが、着磁する局数は特に限定されない。例えば、８極に着磁しても１０極に着磁しても３２極に着磁してもよい。なお、第１センサヨーク対３６、第２センサヨーク対３８の爪部の個数は、着磁される極の数に合わせた数とすればよい。
【００６７】
以上の各実施形態においては、本発明を自動車の電動パワーステアリング装置のトルクセンサに適用した例を示したが、他の種々の装置のトルクセンサに広く適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
以上のように、本発明にかかるトルクセンサおよびこれを用いる電動パワーステアリング装置は、回転軸に負荷されるトルクを検出するのに有用であり、特に、車両の走行方向を制御するステアリングに負荷されるトルクの検出に用いるのに適している。
【符号の説明】
【００６９】
１  車両
２  電動パワーステアリング装置
３  操舵機構
４  コントロールユニット
５  イグニッションスイッチ
６  バッテリ
７  車速センサ
１１  ステアリングホイール
１２  ステアリングシャフト
１２ａ  入力軸
１２ｂ  出力軸
１２ｃ  連結軸（トーションバー）
１２ｄ  ホローシャフト
１２ｅ  ギヤカバー
１３  トルクセンサ
１４  補助操舵機構
１５  減速ギヤボックス
１６  電動モータ
２０  ユニバーサルジョイント
２１  ロアシャフト
２２  ユニバーサルジョイント
２３  ピニオンシャフト
２４  ステアリングギヤ
２４ａ  ピニオン
２４ｂ  ラック
２５  タイロッド
３０  軸受
３２  第１永久磁石
３２ａ、３４ａ  バックヨーク
３４  第２永久磁石
３６  第１センサヨーク対
３６ａ、３６ｂ  第１センサヨーク構成部
３６ｃ、３６ｅ、３８ｃ、３８ｅ  爪部
３６ｄ、３６ｆ、３８ｄ、３８ｆ  外周部
３８  第２センサヨーク対
３８ａ、３８ｂ  第２センサヨーク構成部
４０  集磁ヨーク対
４０ａ  外側集磁ヨーク
４０ｂ  内側集磁ヨーク
４２  磁束検出器
４４  第１保持部
４６  第２保持部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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